В зависимости от типа частицы, на переходах которой осуществляется генерация, различают атомные, ионные и молекулярные газовые лазеры.

1.5.6. Атомные лазеры

Самым распространенным лазером на атомных переходах является Не- Ne-лазер. Этот лазер может работать в непрерывном режиме с малыми выходными мощностями. Он отличается небольшими размерами, простой и надежной конструкцией. В Не-Nе-лазере возможна генерация на многочисленных переходах между электронными уровнями атома неона. Наиболее употребительны лазеры с длиной волны излучения 632,8 нм.

Создание инверсной населенности происходит в электрическом газовом разряде, причем заселение верхних уровней в основном происходит за счет неупругих столкновений с метастабильными атомами Не, которые возбуждаются при столкновениях с электронами.

Свойства Не-Nе-лазера типичны для газовых лазеров и характеризуются большой длиной когерентности, высокой монохроматичностью, хорошим качеством пучка. Мощность гелий - неоновых лазеров обычно составляет 0,5 - 50 мВт и их использование связано, в основном, с измерительной техникой, голографией и т.д.

1.5.7. Лазеры на парах металлов

Среди лазеров на переходах в атомах лазеры на парах металлов занимают важное место. Дело в том, что металлы обладают наиболее подходящей

структурой энергетических уровней с точки зрения получения высокого квантового КПД. В качестве лазерного обычно используется переход из резонансного в метастабильное состояние. Такие лазеры могут работать только в импульсном режиме, так как время жизни нижнего состояния больше, чем верхнего и получили название лазеров на самоограниченных переходах.

В настоящее время получена генерация на парах многих металлов - меди, золота, свинца, марганца, таллия, висмута, железа, бария, кальция, стронция и других. Промышленное значение имеют в основном лазеры на парах меди и меди-золота. Лазеры на парах меди дают излучение в зеленой (510,6 нм) и желтой (578,2 нм) областях спектра. В присутствии паров золота появляется красная линия (627,8 нм), т.е. излучение лазера становится трехцветным. Такие лазеры имеют среднюю мощность излучения до 20 Вт, а импульсную - до 200 КВт при длительности импульса 20 - 30 нс. Трудности создания лазеров на

43

парах металлов обусловлены высокой рабочей температурой (до 1700 К)

активного объема и необходимостью обеспечения мощных коротких импульсов накачки в газовом разряде при частоте повторения в десятки килогерц.

1.5.8.Ионные лазеры

Вионных лазерах генерация осуществляется на электронных переходах в ионах. Из ионных лазеров наибольшее распространение получил аргоновый лазер, в котором генерация может происходить на нескольких длинах волн в диапазоне от 454 до 528 нм. Заселение верхнего лазерного уровня происходит при электронных ударах. Накачка осуществляется мощным дуговым разрядом для создания высокой степени ионизации. Нижний лазерный уровень обладает очень коротким временем жизни, что обеспечивает высокую инверсность населенности. Мощность аргоновых лазеров достигает 500 Вт в непрерывном режиме при КПД порядка 0,1%. Из других ионных лазеров следует отметить криптоновые и гелий-кадмиевые. Заселение верхнего лазерного уровня иона

кадмия осуществляется при столкновениях метастабильных атомов гелия с атомами кадмия. Возможны два лазерных перехода с длинами волн 325 и 441,6 нм.

1.5.9.Молекулярные лазеры

Генерация лазерного излучения была получена на большом количестве молекул и их излучение охватывает ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазон спектра. Рассмотрим некоторые наиболее часто используемые типы молекулярных лазеров.

Газовые лазеры в УФ-диапазоне (N2 и Н2 лазеры). Азотный лазер является высокомощным лазером с коротким временем нарастания импульса, с высокой частотой следования импульсов. Из-за незначительного времени жизни

верхнего уровня инверсия заселенности достигается только при возбуждении короткими импульсами (<15нс). Для достижения высоких энергий в импульсе требуется большая электрическая мощность возбуждения. Благодаря очень быстрому усилению в активной среде, из-за чего вся инверсная населенность снимается в один проход, N2-лазер может работать без резонатора. Рабочая длина волны азотного лазера составляет 337,1 нм.

Н2-лазер является мощным импульсным лазером в вакуумном УФ- диапазоне (рабочие длины волн 116, 123, 160 нм) с малой длительностью импульса. По принципу действия он аналогичен азотному.

44

1.5.10. Эксимерные лазеры

Класс импульсных газовых лазеров, объединенных названием "эксимерные", возник сравнительно недавно. Лазеры этого класса работают на переходах между двумя термами молекулы, нижний из которых является отталкивательным и составлен обычно из атомов в основном состоянии. Верхний терм лазерного перехода имеет потенциальный минимум (рис.1.14). Такие молекулы существуют только в возбужденном состоянии, откуда и происходит название этого типа лазеров. Особенности работы этого лазера состоят в следующем.

В результате процессов в возбужденном газе образуется эксимерная молекула в электронно-возбужденном состоянии на некотором колебательном уровне. Линия излучения такой молекулы относительно широка. Ширина

линии испускания перехода в эксимерном лазере на несколько порядков превышает значение этой величины для других типов лазеров.

Таким образом, сечение индуцированного излучения для перехода в

эксимерном лазере весьма мало и этот лазер может работать только при относительно высокой интенсивности накачки. Поэтому существующие эксимерные лазеры работают только в импульсном режиме. По той же причине эксимерные лазеры появились значительно позже других типов лазеров.

45

Впервые описанный механизм создания инверсной заселенности был реализован Н. Г. Басовым с сотрудниками в жидком ксеноне, на переходах между возбужденным (метастабильным) и основным (отталкивательным) термами молекулы Xe2. В дальнейшем генерацию на молекулярном ксеноне осуществили в плотном газе при давлении, в десятки раз превышающем атмосферное. Интерес к эксимерным лазерам резко возрос с 1975 года, когда, с одной стороны, было показано, что возбужденные эксимерные молекулы

моногалогенидов инертных газов могут интенсивно образовываться при тушении метастабильных атомов инертного газа галоидосодержащими молекулами, а с другой стороны, были созданы первые мощные эксимерные лазеры с выходной мощностью импульса несколько джоулей. В настоящее время существуют эксимерные лазеры с энергией импульса до 300 Дж при длительности импульса порядка 50 нс и КПД = 10% (эти лазеры могут работать на переходах с длинами волн 193,3; 248,4 и 353 нм). Указанные параметры

являются рекордными для всех лазеров видимого и ультрафиолетового диапазонов.

Эксимерные лазеры являются, как правило, ультрафиолетовыми лазерами и перекрывают широкую область спектра. В таблице 1.3 представлены длины волн для центров линий перехода возбужденных молекул, составляющих основу существующих эксимерных лазеров.

46